課程設(shè)計(jì)--基于arm的智能公交車載終端的設(shè)計(jì)

1、<p>　　《嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用》</p><p>　　課 程 設(shè) 計(jì) 報(bào) 告</p><p><b>　　題目：</b></p><p><b>　　專 業(yè)： </b></p><p>　　班 級(jí)： </p><p><b>　　學(xué)

2、 號(hào)： </b></p><p>　　姓 名： </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　完成日期： </p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　目錄

3、1</b></p><p><b>　　摘 要3</b></p><p><b>　　1 緒論5</b></p><p>　　1.1 論文選題的意義5</p><p>　　1．2智能公交系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展6</p><p>　　1.3 智能公交系統(tǒng)中的智

4、能車載終端簡(jiǎn)介6</p><p>　　1．5本論文的主要內(nèi)容6</p><p>　　2 智能公交系統(tǒng)(APTS)及其關(guān)鍵技術(shù)7</p><p>　　2．1 APTS系統(tǒng)組成7</p><p>　　2.2 GPS全球定位系統(tǒng)7</p><p>　　2.2.1 GPS 全球定位系統(tǒng)的發(fā)展歷史7</p>

5、;<p>　　2.2.2 GPS系統(tǒng)的組成8</p><p>　　2.2.3 GPS 定位的基本原理8</p><p>　　2.3 GPRS 移動(dòng)通信系統(tǒng)10</p><p>　　2.3.1 GPRS 簡(jiǎn)介10</p><p>　　2.3.2 GPRS 網(wǎng)絡(luò)連接及數(shù)據(jù)傳輸11</p><p>

6、　　2.3.3 透明傳輸模式和命令模式的轉(zhuǎn)換12</p><p>　　3 智能公交車載終端設(shè)計(jì)13</p><p>　　3.1 智能車載終端總體設(shè)計(jì)13</p><p>　　3.2主要模塊基本功能介紹15</p><p>　　3.3主要芯片及模塊選型15</p><p>　　3.3.1 MCU芯片15<

7、;/p><p>　　3.3.2 GPS模塊16</p><p>　　3.3.3 GPRS模塊16</p><p>　　3.3.4 語(yǔ)音模塊17</p><p>　　3.3.5 液晶顯示17</p><p>　　3．4本章小結(jié)18</p><p>　　4 智能公交車載終端硬件設(shè)計(jì)18&l

8、t;/p><p>　　4．1電源模塊設(shè)計(jì)18</p><p>　　4．2 ARM微控制器模塊18</p><p>　　4.3 時(shí)鐘及復(fù)位電路19</p><p>　　4.4 FLASH 存儲(chǔ)器電路設(shè)計(jì)20</p><p>　　4.5 SDRAM 存儲(chǔ)器電路設(shè)計(jì)20</p><p>　　4

9、.5.1 SDRAM 模塊功能介紹20</p><p>　　4.5.2 HY57V281620 的實(shí)際連接21</p><p>　　4.6 調(diào)試與測(cè)試接口22</p><p>　　4.7 GPS模塊電路設(shè)計(jì)22</p><p>　　4.8 GPRS模塊電路設(shè)計(jì)23</p><p>　　4.9 語(yǔ)音及功放電

10、路設(shè)計(jì)23</p><p>　　4.10 硬件電路設(shè)計(jì)中需要注意的問(wèn)題24</p><p>　　4.11 本章小結(jié)25</p><p>　　5 智能車載終端系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)25</p><p>　　5.1 嵌入式操作系統(tǒng)的選型25</p><p>　　5.2 交叉編譯環(huán)境的建立過(guò)程26</p>

11、<p>　　5.3 配置編譯內(nèi)核26</p><p>　　5.3.1 內(nèi)核源碼的下載及安裝27</p><p>　　5.3.2 配置內(nèi)核27</p><p>　　5.3.3 編譯內(nèi)核27</p><p>　　5.4 嵌入式引導(dǎo)程序移植28</p><p>　　5.5 應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)28</p

12、><p>　　5.5.1 Linux 下的串口編程28</p><p>　　5.5.2 Linux 下的網(wǎng)絡(luò)編程30</p><p>　　5.5.3 Linux 下的多線程編程30</p><p>　　5.5.4 應(yīng)用程序介紹32</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)33</b></

13、p><p><b>　　摘 要：</b></p><p>　　近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)城市人口規(guī)模不斷擴(kuò)大，汽車保有量也逐步增長(zhǎng)。由此引發(fā)的城市交通問(wèn)題越來(lái)越突出，如交通擁擠、交通堵塞、噪音污染、廢氣污染等，嚴(yán)重影響城市的可持續(xù)發(fā)展和居民的正常生活。大力發(fā)展城市公共交通勢(shì)在必行。智能公交系統(tǒng)是現(xiàn)代控制技術(shù)、定位技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)等多種技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，它的建設(shè)可

14、以改善公交公司的企業(yè)管理方式，提高公交系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)效率和服務(wù)水平，是旨在解決城市交通問(wèn)題的一項(xiàng)根本性方案。</p><p>　　GPS是由美國(guó)建立的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)，具有全球性、全天候、陸?？杖艿忍攸c(diǎn)，特別適用于交通運(yùn)輸行業(yè)，配合中國(guó)移動(dòng)穩(wěn)定可靠、覆蓋面廣、數(shù)據(jù)傳輸速度極快的GPRS網(wǎng)絡(luò)作為信息傳輸?shù)拿浇椋訥PS、GPRS為主要技術(shù)的智能公交系統(tǒng)較以往利用射頻、數(shù)傳電臺(tái)技術(shù)方式建造的公交系統(tǒng)具有更加穩(wěn)定

15、、實(shí)時(shí)性更高等特點(diǎn)，是當(dāng)前智能公交系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理想方案。本論文在研究國(guó)內(nèi)外智能公交現(xiàn)狀和現(xiàn)有GPS、GPRS 等技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了基于ARM 的公交智能車載終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法，包括終端總體設(shè)計(jì)方案、關(guān)鍵技術(shù)的研究、軟件的設(shè)計(jì)、產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)等內(nèi)容。文章在總體設(shè)計(jì)中提出了終端的功能要求，并針對(duì)功能要求提出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案；在硬件設(shè)計(jì)中給出了具體的硬件設(shè)計(jì)原理圖，并就硬件選型、原理圖設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了探討；在軟件設(shè)計(jì)中給出了終端主要軟件設(shè)計(jì)

16、的程序流程圖，并對(duì)程序設(shè)計(jì)思路進(jìn)行了細(xì)致的講解；最后對(duì)個(gè)模塊進(jìn)行了調(diào)試和功能測(cè)試。</p><p>　　關(guān)鍵詞：車載終端，智能報(bào)站，ARM，GPS，GPRS</p><p><b>　　一 、緒論</b></p><p>　　1.1 論文選題的意義</p><p>　　隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)城鎮(zhèn)化步伐不斷加快，來(lái)自

17、農(nóng)村的大學(xué)生和其他務(wù)工人員大批涌入城市，造成城市人口大幅度增長(zhǎng)，同時(shí)由于人民生活水平的不斷提高，城市的汽車保有量也在急劇上升，交通需求迅速擴(kuò)大，而城市交通基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)卻相對(duì)滯后，從而使城市“乘車難”、“行車難”的現(xiàn)象日益嚴(yán)重，交通擁擠、交通阻塞頻發(fā)，噪音污染、廢氣污染加劇，嚴(yán)重影響城市公交的可持續(xù)發(fā)展和居民的正常生活。解決城市交通擁擠和阻塞問(wèn)題已成為我國(guó)城市交通面臨的一項(xiàng)迫切的任務(wù)。</p><p>　　城市交

18、通擁擠問(wèn)題由來(lái)已久，早在19 世紀(jì)中葉英國(guó)學(xué)者J. M. Thomson 就把交通擁擠、行車速度歸結(jié)為城市七個(gè)發(fā)展難題之首，并成為不同歷史時(shí)期社會(huì)各界廣泛關(guān)注的社會(huì)問(wèn)題之一。與此同時(shí)，由于受地理空間、資金投入等因素的制約，無(wú)限制的擴(kuò)展道路空間幾乎沒(méi)有可能，致使城市交通系統(tǒng)的建設(shè)、運(yùn)營(yíng)與管理不得不從粗放型向效益型轉(zhuǎn)變[2]。為此智能公交系統(tǒng)（Advanced Public TransitSystem, APTS）近年來(lái)被許多學(xué)者提了出來(lái)，

19、著重從如何提高城市道路系統(tǒng)營(yíng)運(yùn)效率入手，來(lái)緩解城市交通壓力，有效的減少城市交通擁擠、交通阻塞現(xiàn)象。</p><p>　　智能公交系統(tǒng)運(yùn)用系統(tǒng)工程理論，將信息控制、GPS 衛(wèi)星定位、GIS、多媒體、網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)集成，應(yīng)用于整個(gè)公共交通領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了公交車輛的智能調(diào)度，方便了公車車輛的運(yùn)營(yíng)管理，提高了公交服務(wù)水平。使乘坐公交車出行變的更加快捷、方便和舒適。從而使一部分人舍棄自駕車或打出租車出行，改乘公交車，進(jìn)一步減少

20、交通堵塞現(xiàn)象。另外大力發(fā)展智能公交系統(tǒng)，也可以通過(guò)提高交通效率而節(jié)省大量的燃料和時(shí)間，減少交通事故的發(fā)生，能夠創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。</p><p>　　1.2 智能公交系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展</p><p>　　在美國(guó)，城市公共交通管理局已經(jīng)啟動(dòng)了智能公共交通系統(tǒng)項(xiàng)目。它主要研究基于動(dòng)態(tài)公共交通信息的實(shí)時(shí)調(diào)度理論和實(shí)時(shí)信息發(fā)布論，以及使用先進(jìn)的電子、通訊技術(shù)提高公交效率和服務(wù)水平的實(shí)施技

21、術(shù)。具體包括車隊(duì)管理、出行者信息、電子收費(fèi)和交通需求管理等幾方面的研究。其中車隊(duì)管理主要研究通信系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)、自動(dòng)車輛定位系統(tǒng)、自動(dòng)乘客計(jì)數(shù)、公交運(yùn)營(yíng)軟件和交通信號(hào)優(yōu)先。出行者信息主要研究出行前、在途信息服務(wù)系統(tǒng)和多種出行方式接駁信息服務(wù)系統(tǒng)。 </p><p>　　1.3 智能公交系統(tǒng)中的智能車載終端簡(jiǎn)介</p><p>　　智能車載終端是一款專門(mén)為公交車輛設(shè)計(jì)，運(yùn)行在公交車輛上的

22、嵌入式產(chǎn)品，在智能公交系統(tǒng)中起著舉足輕重的作用。它融合了GPS 定位、GPRS、信息存儲(chǔ)、MP3 語(yǔ)音播放及汽車黑匣等技術(shù)，能用于對(duì)公交車輛的現(xiàn)代化管理，包括對(duì)車輛的監(jiān)控調(diào)度、正點(diǎn)考核、GPS 導(dǎo)航電文等信息的采集、分析、處理、儲(chǔ)存等[8]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，公交車載終端也在進(jìn)一步升級(jí)，它的性能和服務(wù)質(zhì)量都有了極大的提高，功能也日益完善。</p><p>　　1.4本論文的主要內(nèi)容</p><

23、;p>　　本論文提出了基于ARM的智能公交車載終端的總體設(shè)計(jì)方案，重點(diǎn)介紹了車載終端的軟硬件設(shè)計(jì)及自動(dòng)報(bào)站、短信報(bào)警、實(shí)時(shí)監(jiān)控等功能的實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　完成的主要工作包括：智能公交系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)、智能公交終端硬件電路設(shè)計(jì)調(diào)試、軟件調(diào)試及系統(tǒng)總體調(diào)試分析。</p><p>　　本論文主要內(nèi)容包括：</p><p>　　第1章：緒論。綜述智能公交系統(tǒng)基本概

24、念、相關(guān)背景及國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀。介紹了智能公交車載終端概念及主要功能，提出了本文的主要工作內(nèi)容及課題開(kāi)展的意義。</p><p>　　第2章：智能公交系統(tǒng)(APTS)及其關(guān)鍵技術(shù)。介紹了智能公交系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)，并對(duì)GPS、GPRS等系統(tǒng)相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了介紹。</p><p>　　第3章：智能公交車載終端總體設(shè)計(jì)。根據(jù)市場(chǎng)需求，提出了智能公交系統(tǒng)及車載終端的總體設(shè)計(jì)方案，重點(diǎn)對(duì)車載終端的總體

25、設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹，給出了車載終端設(shè)計(jì)中重要芯片的選型。</p><p>　　第4章：智能公交車載終端硬件設(shè)計(jì)。詳細(xì)介紹了智能公交車載終端硬件設(shè)計(jì)，給出了整個(gè)終端系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)電路。</p><p>　　第5章：智能公交車載終端軟件設(shè)計(jì)。詳細(xì)介紹了智能公交車載終端的軟件設(shè)計(jì)，給出了軟件設(shè)計(jì)流程圖，并就系統(tǒng)關(guān)鍵部分的軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了重點(diǎn)的講述。</p><p>　　總結(jié)和展

26、望中，對(duì)本課題取得的成果以及局限性進(jìn)行了分析和總結(jié)，對(duì)下一</p><p>　　步的工作和項(xiàng)目未來(lái)的發(fā)展進(jìn)行了展望。</p><p>　　二、智能公交系統(tǒng)(APTS)及其關(guān)鍵技術(shù)</p><p>　　2.1 APTS系統(tǒng)組成</p><p>　　智能公交系統(tǒng)主要由3個(gè)部分構(gòu)成，即無(wú)線通訊部分、監(jiān)控中心部分和車載終端部分。無(wú)線通訊系統(tǒng)主要是利用

27、通信運(yùn)營(yíng)商提供的數(shù)據(jù)和短信息服務(wù)，這里的通訊方式就是指無(wú)線通訊系統(tǒng)的通訊手段；監(jiān)控中心由GPS服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、CTI呼叫中心系統(tǒng)、監(jiān)控工作站、管理工作站路由器和防火墻組成；車載終端主要由GPS接收模塊、GPRS通訊模塊、車輛控制模塊、屏幕等部分組成，主要有車輛定位、與監(jiān)控中心進(jìn)行雙向通訊、車輛控制等功能。監(jiān)控中心在接收到車載終端傳回的GPS位置數(shù)據(jù)后可以確定監(jiān)控車輛的位置信息、歷史運(yùn)行軌跡進(jìn)而分析其運(yùn)行是否正常，是否偏離預(yù)定路線，

28、速度是否異常。在出現(xiàn)異常情況時(shí)，監(jiān)控中心可以通過(guò)發(fā)布導(dǎo)航指令來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的調(diào)度。</p><p>　　2.2 GPS全球定位系統(tǒng)</p><p>　　2.2.1 GPS 全球定位系統(tǒng)的發(fā)展歷史</p><p>　　GPS 整個(gè)發(fā)展計(jì)劃分為三個(gè)階段實(shí)施。第一階段為原理方案可行性驗(yàn)證階段，從1978 年到1979 年，共發(fā)射了4 顆試驗(yàn)衛(wèi)星，建立了地面跟蹤網(wǎng)，研制地面GP

29、S 接收機(jī)，對(duì)系統(tǒng)的硬件和軟件進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果令人滿意。第二階段為系統(tǒng)的研制與試驗(yàn)階段．從 1979 年到1984 年，又陸續(xù)發(fā)射了7 顆試驗(yàn)衛(wèi)星。第一階段和第二階段共發(fā)射11 顆試驗(yàn)衛(wèi)星，這些試驗(yàn)衛(wèi)星稱為第一代衛(wèi)星：與此同時(shí)，研制了各種導(dǎo)航型接收機(jī)和測(cè)地型接收機(jī)，試驗(yàn)表明，GPS 的定位精度大大超過(guò)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，其中粗碼(C／A 碼)的定位精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)設(shè)計(jì)指標(biāo)，由此證明，GPS 計(jì)劃是成功的。第三階段為最后的工程發(fā)展與完成階段。198

30、9 年的2 月4 日，發(fā)射了GPS 第一顆工作衛(wèi)星，到1994 年3 月10 日共研制發(fā)射了28 顆工作衛(wèi)星。這些工作衛(wèi)星稱為BlockII 和BlockIIA 衛(wèi)星，與此同時(shí)，不僅研制了高精度導(dǎo)航型接收機(jī)，還研制了能對(duì)衛(wèi)星載被信號(hào)進(jìn)行相位測(cè)量的定位精度極高的接收機(jī)和采用相位差分的GPS 載體姿態(tài)測(cè)量接收機(jī)，滿足了精密導(dǎo)航與制導(dǎo)等一系列軍事目的之要求。</p><p>　　2.2.2 GPS系統(tǒng)的組成</

31、p><p>　　GPS 系統(tǒng)主要由三大部分組成，即空間星座部分、地面監(jiān)控部分和用戶設(shè)備部分。全球定位系統(tǒng)的空間衛(wèi)星星座見(jiàn)圖 2.1，由24（3 顆備用衛(wèi)星）顆衛(wèi)星組成。衛(wèi)星分布在6 個(gè)軌道面內(nèi)，每個(gè)軌道上分布4 顆衛(wèi)星。衛(wèi)星軌道面相對(duì)地球赤道面的傾角約為55°，各軌道平面升交點(diǎn)的赤經(jīng)相差60°在相鄰軌道上，衛(wèi)星的升交相差30°軌道平均高度約為20220km，衛(wèi)星運(yùn)行周期為11 小時(shí)58

32、分。因此，在同一觀測(cè)站上，每天出現(xiàn)的衛(wèi)星分布圖形相同，只是每天提前4 分鐘。每顆衛(wèi)星每天約5 個(gè)小時(shí)在地平線以上，同時(shí)位于地平線以上的衛(wèi)星數(shù)目，隨時(shí)間和地點(diǎn)而異，最少為4 顆，最多可達(dá)11 顆。</p><p>　　2.2.3 GPS 定位的基本原理</p><p>　　GPS 定位處理中，衛(wèi)星軌道通常是已知的。因此，為了確定地面觀測(cè)站位置，GPS 衛(wèi)星的瞬間位置也應(yīng)換算到統(tǒng)—的地球坐標(biāo)系

33、統(tǒng)中。在GPS 試驗(yàn)階段，衛(wèi)星的瞬間位置計(jì)算采用了1972 年世界大地坐標(biāo)系統(tǒng)(world geodetic system，1972,WGS72)，從1987 年1 月10 日開(kāi)始采用改進(jìn)的大地坐標(biāo)系統(tǒng)WGS—84 坐標(biāo)系。世界大地坐標(biāo)系統(tǒng)(WGS)是屬于協(xié)議地球坐標(biāo)系(CTS)。WGS—84 坐標(biāo)系的原點(diǎn)為地球質(zhì)心M；Z 軸指向BIHl984.0 定義的協(xié)議地極(conventional terestri alpole,CTP)；X

34、軸指向BIH1984．0 定義的零子午面與CTP 相交的赤道交點(diǎn)，Y 鈾垂直于XMZ平面，且與Z、X 軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。</p><p>　　測(cè)距碼即偽隨機(jī)噪聲碼(Pseudo-random Noise Code)是一種可以預(yù)先確定并可重復(fù)產(chǎn)生和復(fù)制，具有白噪聲隨機(jī)統(tǒng)計(jì)待性的二進(jìn)制碼序列，簡(jiǎn)稱為偽隨機(jī)碼，或偽噪聲碼，或PRN 碼。40 年代末和50 年代初，仙農(nóng)(G．E．Shannon)等人建立了“噪聲通信”理論

35、；證明具有白噪聲統(tǒng)計(jì)特性的信號(hào)對(duì)充分利用信道的容量與信號(hào)的功率，抗多徑干擾和測(cè)定距離等具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。到60 年代中期，噪聲通信理論獲得實(shí)際應(yīng)用和發(fā)展。利用偽隨機(jī)碼信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)低信噪比接收，可實(shí)現(xiàn)碼分多址通信．具有良好的保密性。現(xiàn)在，偽隨機(jī)碼已廣泛用于通信、無(wú)線電測(cè)距等領(lǐng)域。</p><p>　　GPS 衛(wèi)星的基帶信號(hào)是指包含導(dǎo)航信息的導(dǎo)航電文。導(dǎo)航電文包括衛(wèi)星星歷，衛(wèi)星工作狀態(tài)，衛(wèi)星歷書(shū)，時(shí)間系統(tǒng)，星鐘改正參數(shù)

36、，軌道攝動(dòng)改正參數(shù)，大氣折射改正參數(shù)，遙測(cè)碼以及由C/A 確定P 碼的交換碼等。導(dǎo)航電文是二進(jìn)制編碼文件，按照規(guī)定格式組成數(shù)據(jù)幀，一幀導(dǎo)航電文由遙測(cè)字，轉(zhuǎn)換字和數(shù)據(jù)塊三部分組成，是用戶利用GPS 進(jìn)行導(dǎo)航定位的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。導(dǎo)航電文的每個(gè)子幀含有10 個(gè)字，第一個(gè)字為遙測(cè)字。作為捕獲導(dǎo)航電文的前導(dǎo)，其中所含的同步信號(hào)，為各子幀提供了一個(gè)同步的起點(diǎn)，使用戶便于解釋電文數(shù)據(jù)。轉(zhuǎn)換字的主要功能是向用戶提供用于捕獲P碼的Z 計(jì)數(shù)。導(dǎo)航電文的數(shù)據(jù)塊分

37、三部分。數(shù)據(jù)塊I 包含的內(nèi)容有衛(wèi)星時(shí)間計(jì)數(shù)器，調(diào)制碼標(biāo)識(shí)，衛(wèi)星測(cè)距精度，導(dǎo)航數(shù)據(jù)狀態(tài)，電離層延遲改正參數(shù)，時(shí)鐘數(shù)據(jù)齡期，衛(wèi)星時(shí)鐘參數(shù)對(duì)應(yīng)的參考時(shí)刻，衛(wèi)星鐘改正參數(shù)。數(shù)據(jù)塊II 是導(dǎo)航電文中的核心部分，一般稱為衛(wèi)星星歷，包括的主要參數(shù)分為開(kāi)普勒六參數(shù)，軌道攝動(dòng)九參數(shù)，時(shí)間兩參數(shù)。第三數(shù)據(jù)塊提供全部GPS 衛(wèi)星的歷書(shū)數(shù)據(jù)。當(dāng)用戶GPS 接收機(jī)捕獲到某顆衛(wèi)星后，利用數(shù)據(jù)塊I II 所提供的其它衛(wèi)星的概略星歷，時(shí)鐘改正數(shù)，碼分地址和衛(wèi)星工作狀態(tài)

38、的</p><p>　　GPS 系統(tǒng)使用單向測(cè)距方法來(lái)測(cè)定某顆衛(wèi)星與用戶的相對(duì)距離。它使用兩臺(tái)時(shí)鐘，一臺(tái)在用戶接收設(shè)備上，一臺(tái)在衛(wèi)星上。計(jì)算衛(wèi)星與用戶之間的距離，實(shí)質(zhì)上是通過(guò)比較GPS 接收機(jī)中恢復(fù)的衛(wèi)星鐘和用戶本身的時(shí)鐘之間的差，即測(cè)量衛(wèi)星鐘傳播到用戶所花的時(shí)間-傳播時(shí)延得以實(shí)現(xiàn)。如果兩個(gè)時(shí)間精確同步，即兩時(shí)鐘信號(hào)同頻同相，那么，利用距離等于時(shí)間乘以光速的原理，得到衛(wèi)星和用戶間的真實(shí)距離R = C ´

39、t。但是衛(wèi)星時(shí)鐘和用戶時(shí)鐘往往不能精確同步，當(dāng)兩者存在鐘差Dt時(shí)，這樣測(cè)得的距離不是用戶和衛(wèi)星間的真實(shí)距離，而是偽距離(Pseudo range)，簡(jiǎn)稱PR，表示為PR = R +C ´ Dt，Dt取值是有正負(fù)的，用戶鐘慢于衛(wèi)星鐘時(shí)取正，反之取負(fù)。</p><p>　　GPS 的基本定位原理是:衛(wèi)星不間斷地發(fā)送自身的星歷參數(shù)和時(shí)間信息，用戶收到這些信息后，經(jīng)過(guò)計(jì)算求出接收機(jī)的三維位置、方向以及運(yùn)動(dòng)速度和

40、時(shí)間信息。每一顆衛(wèi)星連續(xù)不斷地向GPS接收機(jī)發(fā)送可跟蹤的唯一編碼序列，GPS 接收機(jī)可根據(jù)編碼辨認(rèn)相關(guān)的衛(wèi)星，進(jìn)而計(jì)算出接收機(jī)的確切位置和準(zhǔn)確時(shí)間。設(shè)有四顆衛(wèi)星1,2,3,4，坐標(biāo)為( i x , i y , i z )(i=1,2,3,4)，用戶坐標(biāo)為( u x , u y , u z ) , i R 為偽距離，即接收機(jī)到衛(wèi)星的距離i i R = C ´ t ( C -光速， i t -信號(hào)從一顆衛(wèi)星到達(dá)接收機(jī)所需的時(shí)間(i

41、=1，2，3，4)；Dt 是用戶時(shí)鐘偏差。</p><p>　　2.3 GPRS 移動(dòng)通信系統(tǒng)</p><p>　　2.3.1 GPRS 簡(jiǎn)介</p><p>　　GPRS 是通用分組無(wú)線服務(wù)技術(shù)（General Packet Radio Service）的簡(jiǎn)稱，經(jīng)常被描述成“2.5G”，也就是說(shuō)這項(xiàng)技術(shù)位于第二代和第三代移動(dòng)通訊技術(shù)之間。它是GSM 移動(dòng)電話用戶可

42、用的一種移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。與GSM 的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)相比，有以下優(yōu)點(diǎn)：</p><p><b>　　1）通信費(fèi)用低廉。</b></p><p>　　GPRS 和以往連續(xù)在頻道傳輸?shù)姆绞讲煌?，是以封包（Packet）的方式來(lái)傳輸?shù)?，因此使用者所?fù)擔(dān)的費(fèi)用是以其傳輸資料單位計(jì)算，并非使用其整個(gè)頻道，理論上較為便宜。</p><p>　　2）傳輸速率高，連接容

43、易。</p><p>　　GPRS 通過(guò)利用GSM 網(wǎng)絡(luò)中未使用的TDMA 信道，傳輸速率得到了提升，可至56 甚至114Kbps。GSM 網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)采用的是電路交換的方式，而GPRS 通過(guò)增加了相應(yīng)的功能實(shí)體和改造了現(xiàn)有的部分基站系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的分組交換，得到了較高的用戶數(shù)據(jù)速率，相對(duì)來(lái)說(shuō)投入并不大。而且，因?yàn)椴辉傩枰F(xiàn)行無(wú)線應(yīng)用所需要的中介轉(zhuǎn)換器，所以連接及傳輸都會(huì)更方便容易。</p>&l

44、t;p><b>　　3）資源利用率高。</b></p><p>　　GPRS 采用分組交換的通信方式，在通信中，數(shù)據(jù)被分成一定長(zhǎng)度的帶有分組頭的數(shù)據(jù)包，分組頭里面含有地址信息，指明該包發(fā)往的目的地址。當(dāng)數(shù)據(jù)包到達(dá)時(shí)，根據(jù)此地址信息，臨時(shí)尋找可用的信道資源發(fā)送數(shù)據(jù)，不必預(yù)先分配信道。在這種傳送方式中，數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收方同信道不占用固定的信道，所有的用戶共享使用信道資源，使信道資源的利用率

45、得到了提高。</p><p>　　2.3.2 GPRS 網(wǎng)絡(luò)連接及數(shù)據(jù)傳輸</p><p>　　GPRS 模塊的網(wǎng)絡(luò)連接、數(shù)據(jù)傳輸?shù)人胁僮鞫际峭ㄟ^(guò)AT 命令來(lái)實(shí)現(xiàn)的。</p><p><b>　　1）AT 命令介紹</b></p><p>　　AT 即Attention，AT 命令集是從終端設(shè)備或數(shù)據(jù)終端設(shè)備向終端適配

46、器或數(shù)據(jù)電路終端設(shè)備發(fā)送的。通過(guò)發(fā)送AT 指令來(lái)控制移動(dòng)臺(tái)的功能，與GPRS 網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)進(jìn)行交互。用戶可以通過(guò)AT 指令進(jìn)行呼叫、短信、電話本、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、傳真等方面的控制。</p><p>　　2）連接網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)傳輸</p><p>　　GPRS 模塊的網(wǎng)絡(luò)連接通過(guò)幾條簡(jiǎn)單的AT 命令即可實(shí)現(xiàn)，耗時(shí)不過(guò)半分鐘左右。GPRS 模塊有兩種傳輸模式，分別為透明傳輸模式和命令模式。透明傳輸模式為純數(shù)

47、據(jù)傳輸模式，即使發(fā)送AT 命令，也會(huì)被當(dāng)成數(shù)據(jù)發(fā)送出去。命令模式則只接收AT 命令，若非AT 命令，模塊自動(dòng)返回錯(cuò)誤信息。由于系統(tǒng)主要用來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，所以聯(lián)網(wǎng)成功后一般選擇為透明傳輸模式。</p><p><b>　　連接步驟如下：</b></p><p>　　1> 設(shè)置模塊的返回值即為不帶命令的返回值</p><p>　　發(fā)送：ATE0

48、回車</p><p>　　成功返回：回車OK 回車</p><p>　　失敗返回：回車ERROR 回車</p><p>　　2> 設(shè)置透明傳輸模式</p><p>　　發(fā)送：AT+CIPMODE=1 回車</p><p>　　成功返回：回車OK 回車</p><p>　　失敗返回：回車ER

49、ROR 回車</p><p><b>　　3> 激活PDP</b></p><p>　　發(fā)送：AT+CGATT=1 回車</p><p>　　成功返回：回車OK 回車</p><p>　　失敗返回：回車ERROR 回車</p><p>　　4> 設(shè)置GPRS 連接模式</p>

50、;<p>　　發(fā)送：AT+CIPCSGP=1,"CMNET"回車</p><p>　　成功返回：回車OK 回車</p><p>　　失敗返回：回車ERROR 回車</p><p>　　5> GPRS撥號(hào)連接</p><p>　　發(fā)送：AT+CIPSTART="TCP","2

51、19.243.86.9","8080"回車（其中IP 地址為公網(wǎng)IP）</p><p>　　命令正確且成功返回：回車OK 回車回車CONNECT 回車</p><p>　　命令不正確返回：回車ERROR 回車</p><p>　　失敗則返回：回車OK 回車（延遲）回車STATE: <state>回車（延遲）回車CONNECT

52、 FAIL 回車</p><p>　　其中<state>可以取值如下：</p><p>　　IP INITIAL</p><p><b>　　IP START</b></p><p><b>　　IP CONFIG</b></p><p><b>　　I

53、P IND</b></p><p>　　IP GPRSACT</p><p><b>　　IP STATUS</b></p><p>　　TCP/UDP CONNECTING</p><p><b>　　IP CLOSE</b></p><p>　　若命令返回正確

54、，則連接網(wǎng)絡(luò)成功，GPRS 模塊進(jìn)入透明傳輸模式，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸了。</p><p>　　2.3.3 透明傳輸模式和命令模式的轉(zhuǎn)換</p><p>　　GPRS 模塊中，打電話和讀GPRS 信號(hào)強(qiáng)度的操作需要發(fā)送AT 命令，是在命令模式下進(jìn)行的，所以在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，當(dāng)需要打電話或讀信號(hào)強(qiáng)度時(shí)，需要使GPRS 模塊從透明傳輸模式轉(zhuǎn)變?yōu)槊钅Ｊ?。下面以打電話為例，介紹一下發(fā)送命令步驟：&l

55、t;/p><p>　　1）退出透明傳輸模式</p><p><b>　　發(fā)送：+++</b></p><p>　　返回：回車OK 回車</p><p><b>　　2）撥打電話</b></p><p>　　發(fā)送：ATD 電話號(hào)碼;回車</p><p>　　

56、撥打成功返回：回車OK 回車</p><p>　　對(duì)方掛斷返回：回車NO CARRIER 回車</p><p>　　對(duì)方無(wú)人接聽(tīng)返回：回車NO ANSWER 回車</p><p>　　對(duì)方占線返回：回車BUSY 回車</p><p>　　沒(méi)有撥號(hào)音返回：回車NO DIALTONE 回車</p><p>　　3）通話完畢

57、后返回透明傳輸模式。</p><p><b>　　發(fā)送：ATO 回車</b></p><p>　　成功返回：回車CONNECT 回車</p><p>　　失敗返回：回車NO CARRIER 回車</p><p>　　三、智能公交車載終端設(shè)計(jì)</p><p>　　由上文可知，系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作主要包括兩大

58、部分：(1)智能車載終端設(shè)計(jì)(2)</p><p>　　數(shù)據(jù)中心管理軟件設(shè)計(jì)。由于數(shù)據(jù)中心管理軟件設(shè)計(jì)屬上層應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)，并且</p><p>　　設(shè)計(jì)過(guò)程與智能車載終端設(shè)計(jì)完全分離，本文以下部分將只重點(diǎn)對(duì)智能車載終端設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)進(jìn)行論述。設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)進(jìn)行論述。</p><p>　　3.1 智能車載終端總體設(shè)計(jì)</p><p>　　如上文所述，智

59、能車載終端是一款以ARM處理器為核心，利用GPS、GPRS</p><p>　　等先進(jìn)技術(shù)，集車輛實(shí)時(shí)監(jiān)控、正點(diǎn)考核、緊急事件報(bào)警等功能于一身的專為公</p><p>　　交車輛設(shè)計(jì)的嵌入式智能終端產(chǎn)品。它是整個(gè)智能公交系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來(lái)源，也是車</p><p>　　載功能的執(zhí)行者，因此它是整個(gè)系統(tǒng)是的重要組成部分。</p><p>　　車載終端

60、主要實(shí)現(xiàn)的功能包括：到站自動(dòng)播報(bào)到站提示音，出站自動(dòng)播報(bào)出</p><p>　　站提示音；定時(shí)向數(shù)據(jù)中心發(fā)送車輛位置信息，實(shí)現(xiàn)中心對(duì)車輛的監(jiān)控；能夠任意設(shè)置站點(diǎn)為考核點(diǎn)，對(duì)車輛運(yùn)行正點(diǎn)情況進(jìn)行考核；液晶屏幕實(shí)時(shí)顯示時(shí)間、車輛運(yùn)行速度、當(dāng)前?？空军c(diǎn)等信息；按鍵控制特殊語(yǔ)音播報(bào)、背景音樂(lè)播放；按鍵控制緊急情況報(bào)警短消息發(fā)送；驅(qū)動(dòng)車載LED屏，實(shí)現(xiàn)站點(diǎn)名稱、廣告語(yǔ)的顯示。</p><p>　　圖

61、3．1 智能車載終端結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　3.2 主要模塊基本功能介紹</p><p>　　整個(gè)智能車載終端分為若干功能模塊，每個(gè)模塊除完成自身功能外，還配合其它模塊共同工作，實(shí)現(xiàn)車載終端整體功能。</p><p>　　(1)ARM中央處理器模塊：作為車輛終端核心控制模塊，完成GPS數(shù)據(jù)的</p><p>　　提取解析，經(jīng)緯度數(shù)據(jù)匹配

62、，GPRS無(wú)線通訊、語(yǔ)音播放控制等功能。高性能高可靠性的ARM處理器選取是系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。</p><p>　　(2)GPS定位模塊：通過(guò)不斷的接收衛(wèi)星傳來(lái)的導(dǎo)航電文，為系統(tǒng)提供經(jīng)緯度、時(shí)間、速度等信息。</p><p>　　(3)GPRS無(wú)線通信模塊：系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸模塊，將車輛定位信息等通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至車輛調(diào)度中心，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控等功能。</p><p>

63、　　(4)語(yǔ)音及功放模塊：提供高質(zhì)量、高清晰的語(yǔ)音及音樂(lè)播放功能。</p><p>　　(5)LCD液晶顯示模塊：實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前時(shí)間、車輛當(dāng)前所在站點(diǎn)、車輛當(dāng)前運(yùn)行速度等信息。鍵盤(pán)控制模塊：為使用者提供簡(jiǎn)潔方便的設(shè)備操作方式。</p><p>　　(7)電源模塊：為系統(tǒng)多個(gè)功能模塊提供適當(dāng)?shù)墓ぷ麟妷?，保證各功能模塊</p><p>　　的穩(wěn)定工作，本終端中需要提供的電

64、壓分別有1．8V、3．3V、4．2V、5V、12V。</p><p>　　3.3 主要芯片及模塊選型</p><p>　　3.3.1 MCU芯片</p><p>　　LPC2124是PHILIPS公司生產(chǎn)的單片32位ARM微控制器，是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的16／32位ARM7TDMI．S CPU，并帶有256KB的嵌入的高速FLASH存儲(chǔ)器。LPC2124具有

65、非常小的64腳封裝、極低的功耗、多個(gè)32位定時(shí)器、4路10位ADC、PWM輸出、46個(gè)GPIo以及多達(dá)9個(gè)外部中斷使它們特別適用于工業(yè)控制、醫(yī)療系統(tǒng)、訪問(wèn)控制和電子收款機(jī)(PoS)。由于內(nèi)置了寬范圍的串行通信接口，它們也非常適合于通信網(wǎng)關(guān)、協(xié)議轉(zhuǎn)換器、嵌入式軟件調(diào)制解調(diào)器以及其它各種類型的應(yīng)用。</p><p>　　LPC2124特性如下：</p><p>　　(1)16／32位ARM7T

66、DMI．S核，超小LQFP64封裝；</p><p>　　(2)16 kB片內(nèi)SRAM；</p><p>　　(3)256 kB片內(nèi)F1ash程序存儲(chǔ)器，128位寬度接口／加速器可實(shí)現(xiàn)高達(dá)60</p><p><b>　　MHZ工作頻率：</b></p><p>　　可加密。全球首個(gè)實(shí)現(xiàn)可加密的ARM微控制器；</

67、p><p>　　(5)通過(guò)片內(nèi)boot裝載程序?qū)崿F(xiàn)在系統(tǒng)編程(IsP)和在應(yīng)用編程(IAP);</p><p>　　(6)512字節(jié)行編程時(shí)間為1ms。單扇區(qū)或整片擦除時(shí)間為400ms；</p><p>　　(7)Embedded ICE可實(shí)現(xiàn)斷點(diǎn)和觀察點(diǎn)。當(dāng)使用片內(nèi)Real Monitor軟件對(duì)</p><p>　　前臺(tái)任務(wù)進(jìn)行調(diào)試時(shí)，中斷服務(wù)

68、程序可繼續(xù)運(yùn)行；</p><p>　　嵌入式跟蹤宏單元(ETM)支持對(duì)執(zhí)行代碼無(wú)干擾的高速實(shí)時(shí)跟蹤；</p><p>　　LPC2124具有的1 6K靜態(tài)RAM，可以用作代碼和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，支持8位、</p><p>　　16位和32為訪問(wèn)。LPC2124集成的一個(gè)256K的FLASH存儲(chǔ)器，可以用作代碼和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。對(duì)FLASH存儲(chǔ)器的編程可以通過(guò)幾種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)：(

69、1)通過(guò)JTAG接口；(2)通過(guò)ISP和URATO；(3)通過(guò)在線應(yīng)用編程(IAP)。</p><p>　　3.3.2 GPS模塊</p><p>　　系統(tǒng)GPS模塊采用HoLux的GR87模塊。HOLUX GR87 Sirf3代GPS模塊采用SiRF第三代高靈敏度、低耗電量芯片StarIII，內(nèi)建ARM7TDMI CPU可符合模塊需求，具備快速定位及追蹤20顆衛(wèi)星的能力，內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)陶瓷GP

70、S天線模塊，并預(yù)留外接口。體積超小，僅25×25×2mm。芯片內(nèi)建200000個(gè)衛(wèi)星追蹤運(yùn)算器，大幅提高搜尋及運(yùn)算衛(wèi)星訊號(hào)能力。內(nèi)建wASS／EGNoS解調(diào)器。低耗電量，具備有省電模式(Trickle．Power)功能，以及在設(shè)定的時(shí)間才啟動(dòng)的定時(shí)定位(Push．to．Fix)功能。支持NMEAOl 83．22版本規(guī)格輸出。該模塊的應(yīng)用范圍主要包括：車用導(dǎo)航、航海導(dǎo)航、艦隊(duì)管理、基地服務(wù)、自動(dòng)駕駛、個(gè)人導(dǎo)航、旅游設(shè)備

71、、軌跡設(shè)備、系統(tǒng)及繪圖應(yīng)用程序。</p><p>　　3.3.3 GPRS模塊</p><p>　　系統(tǒng)GPRS模塊選用SIMCOM有限公司提供的SIM300C模塊。SIM300C是小體積即插即用模組中完善的三頻／四頻GSM／GPRS解決方案。使用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)界面，使得具備GSM／GPRS900／1800／1900MHz功能的SIM300C以小尺寸和低功耗實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、SMS、數(shù)據(jù)和傳真信息的高

72、速傳輸。SIM300C的優(yōu)良性能讓它應(yīng)用于許多方面，例如WLL、M2M、手持設(shè)備等。SIM300C外形尺寸為40×33×2．85mm，支持用戶定制的MMI和鍵盤(pán)／LCD，內(nèi)嵌強(qiáng)大的TCP／IP協(xié)議棧，具有標(biāo)準(zhǔn)的AT命令接口，能夠以小尺寸和低功耗實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、短信和GPRS數(shù)據(jù)傳輸?shù)葮I(yè)務(wù)。模塊通過(guò)串口進(jìn)行數(shù)據(jù)的通信，通信速率最快可以達(dá)到115200b／s，模塊與控制器間通信協(xié)議是AT命令集，其中大部分是符合協(xié)議“AT co

73、mmand set for GSM Mobile Equipment(ME)(GSM 07．07 version 6．4．0 Release 1997)’’的，也有一些是SIMCOM自己定義的AT命令。</p><p>　　3.3.4 語(yǔ)音模塊</p><p>　　為了保證良好的音質(zhì)，本系統(tǒng)采用wTM．SD高音質(zhì)MP3模塊，為終端提供語(yǔ)音及音樂(lè)播放功能。WTM．SD模塊是一款可重復(fù)擦寫(xiě)語(yǔ)音

74、內(nèi)容的大容量存儲(chǔ)類型的語(yǔ)音模塊，外掛體積小巧的最大容量為1GB的Micro SD卡存儲(chǔ)器，支持加載wAv格式語(yǔ)音文件和MP3格式語(yǔ)音文件。WTM．SD模塊采用DIPl6直插形式封裝，有MP3控制模式，按鍵一對(duì)一控制模式，按鍵組合控制模式，并口控制模式以及二線串口控制模式等控制模式。</p><p>　　WTM—SD模塊的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括汽車電子(防盜報(bào)警器、倒車?yán)走_(dá)、GPS</p><p>

75、;　　導(dǎo)航儀、電子狗、中控鎖)、智能家居系統(tǒng)、家庭防盜報(bào)警器、醫(yī)療器械人聲提示、音樂(lè)播放、家電(電磁爐、電飯煲、微波爐)、娛樂(lè)設(shè)備(游戲機(jī)、游樂(lè)機(jī))、學(xué)習(xí)模型(早教機(jī)、兒童有聲讀物)、智能交通設(shè)備(收費(fèi)站、停車場(chǎng))、通信設(shè)備</p><p>　　(電話交換機(jī)、電話機(jī))、工業(yè)控制領(lǐng)域(電梯、工業(yè)設(shè)備)、玩具等。</p><p>　　3.3.5 液晶顯示</p><p>

76、;　　系統(tǒng)采用金鵬電子C系列液晶模塊OCMJ2木8C。該C系列中文模塊可以顯示字母、數(shù)字符號(hào)、中文字型及圖形，具有繪圖及文字畫(huà)面混合顯示功能。提供三種控制接口，分別是8位微處理器接口，4位微處理器接口及串行接口。所有的功能包括顯示RAM、字型產(chǎn)生器，都包含在一個(gè)芯片里面，只要一個(gè)最小的微處理系統(tǒng)，就可以方便操作模塊。內(nèi)置2M位中文字型ROM(CGROM)總共提供8192個(gè)中文字型(16×16點(diǎn)陣)，16K位半寬字型ROM(HC

77、GROM)總共提供</p><p>　　126個(gè)符號(hào)字型(1 6×8點(diǎn)陣)，64×16位字型產(chǎn)生RAM(CGRAM)，另外繪圖顯</p><p>　　示畫(huà)面提供一個(gè)64×256點(diǎn)的繪圖區(qū)域(GDRAM)，可以和文字畫(huà)面混和顯示。提供多功能指令：畫(huà)面清除(Display clear)、光標(biāo)歸位(Return home)、顯示打開(kāi)／關(guān)閉(Display on／of

78、f)、光標(biāo)顯示／隱藏(Cursor on／off)、顯示字符閃爍(Display</p><p>　　character blink)、光標(biāo)移位(Cursor shift)、顯示移位(Display shift)、垂直畫(huà)面卷動(dòng)(Verticalline scroll)、反白顯示(By-line reverse display)、待命模式(standby mode)。</p><p><

79、;b>　　3.4本章小結(jié)</b></p><p>　　本章根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，提出了整個(gè)智能公交系統(tǒng)及車載終端的總體設(shè)計(jì)方</p><p>　　案。著重介紹了智能立法終端的總體設(shè)計(jì)，給出了終端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，并對(duì)各模塊功能及重要芯片的選型進(jìn)行了介紹。</p><p>　　四、智能公交車載終端硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　由上章可

80、知，智能車載終端的設(shè)計(jì)由電源模塊、ARM中央處理器模塊、GPS</p><p>　　定位模塊、GPRS無(wú)線通信模塊、語(yǔ)音及功放模塊、LCD液晶顯示模塊、鍵盤(pán)控</p><p>　　制模塊、及其它外圍電路模塊部分組成。在本章中，將對(duì)各模塊硬件電路設(shè)計(jì)及功能實(shí)現(xiàn)進(jìn)行詳細(xì)的介紹，并對(duì)硬件電路設(shè)計(jì)中需要注意的問(wèn)題進(jìn)行討論。</p><p><b>　　4.1電源模

81、塊設(shè)計(jì)</b></p><p>　　穩(wěn)定可靠的電源是整個(gè)系統(tǒng)正常工作的保證，電源的提供必須考慮到硬件</p><p>　　系統(tǒng)各個(gè)模塊的供電標(biāo)準(zhǔn)。本系統(tǒng)中車載終端需要提供穩(wěn)定電源的模塊有LPC2124處理器、GPRS模塊、GPS模塊以及LCD模塊等。電源的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)同時(shí)考慮功率、電平及抗干擾等問(wèn)題。對(duì)系統(tǒng)各芯片及模塊的供電要求進(jìn)行分析，可以得出系統(tǒng)電源需要提供包括12V、5V、3

82、V、1.8V五個(gè)電壓。12V為功放電路工作電壓，3.3V、1.8V分別為ARM芯片I／O口及內(nèi)核電壓。 </p><p>　　電源模塊是車載終端中的供電部件，設(shè)計(jì)時(shí)考慮主要作為車載應(yīng)用，可直</p><p>　　接采用汽車上的電瓶12V電壓，通過(guò)7805電源芯片轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)的5V電壓，5V電壓再通過(guò)兩片LDO芯片AMS1117-3.3和AM1117-1.8穩(wěn)壓輸出3.3V和1．8V。<

83、/p><p>　　4.2 ARM微控制器模塊</p><p>　　微控制器(MCU)是系統(tǒng)的核心，也是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的關(guān)鍵，適當(dāng)?shù)奈⒖刂破鞯倪x取，不僅能夠大大提高系統(tǒng)性能，還能夠最大程度上保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的</p><p>　　運(yùn)行。現(xiàn)在市面上的MCU種類繁多，價(jià)格和性能也是千差萬(wàn)別，MCU的范圍包括了從成本低于20美分的非常簡(jiǎn)單的家庭應(yīng)用型MCU到20美元的控制工業(yè)機(jī)械

84、主要器件的32位MCU，分辨出哪種才是適合系統(tǒng)應(yīng)用的MCU是一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題。選擇一款MCU時(shí)，我們需要考慮的因素有以下幾個(gè)方面：第一，MCU</p><p>　　的電源范圍、工作頻率。MCU對(duì)電源的要求需要與系統(tǒng)中其它大部分部件對(duì)電源的要求一致；第二，MCU的I／O口、定時(shí)器、中斷等資源數(shù)目。需要滿足系統(tǒng)的要求，避免資源的浪費(fèi)；第三，MCU的吞吐量。符合MCU對(duì)系統(tǒng)執(zhí)行控制時(shí)的處理能力；第四，MCU的極限性能。能

85、夠在系統(tǒng)可能處于的極限工作環(huán)境中正常運(yùn)行，如低溫或高溫環(huán)境；第五，MCU的抗干擾性能、加密性能、程序?qū)懭敕绞降龋坏诹?，MCU的市場(chǎng)價(jià)格。在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中需要嚴(yán)格的控制產(chǎn)品成本，固價(jià)格也是MCU選取中的重要一點(diǎn)，需要選取具有高性價(jià)比的MCU芯片。綜合考慮以上因素及本系統(tǒng)對(duì)控制器的要求，我們選用了ARM9微處理器LPC2124作為系統(tǒng)的微控制器。</p><p>　　作為整板的主控制器，LPC2124是整個(gè)電路系統(tǒng)的核

86、心，以LPC2124為核心的中央處理器模塊設(shè)計(jì)則是決定整個(gè)硬件電路成敗的關(guān)鍵，ARM微控制器模塊設(shè)計(jì)主要包括電源、時(shí)鐘及復(fù)位電路、調(diào)試與測(cè)試接口及ARM芯片接口電路四大部分。</p><p>　　4.3 時(shí)鐘及復(fù)位電路</p><p>　　目前所有的微處理器均為時(shí)序電路，需要一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)才能工作。LPC2124</p><p>　　可使用外部晶振或外部時(shí)鐘源，內(nèi)部P

87、LL電路可調(diào)整系統(tǒng)時(shí)鐘，使系統(tǒng)運(yùn)行速度更快。本電路中，LPC2124使用微控制器內(nèi)部的晶體振蕩器設(shè)計(jì)時(shí)鐘電路，采用外部11.0592MHZ晶振做為振蕩源，用1 M電阻并接到晶振兩端，使系統(tǒng)更容易起振。用11.059MHZ晶振的原因是使串口波特率更精確，同時(shí)能夠支持LPC2124內(nèi)部的PLL功能和ISP功能。另外，微控制器在上電時(shí)的狀態(tài)并不確定，這將造成微控制器不能正確的工作，為了解決這個(gè)問(wèn)題，所有微控制器均需要一個(gè)復(fù)位邏輯，負(fù)責(zé)將微處理

88、器初始化為某個(gè)確定的狀態(tài)。一些微處理器在上電時(shí)自身會(huì)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，但大多數(shù)微控制器需要外部輸入這個(gè)信號(hào)，本終端微處理器LPC2124即屬于后者。針對(duì)LPC2124來(lái)說(shuō)，I／O口供電電壓范圍為3.3V～3．6V，故復(fù)位門(mén)檻選擇為2．93V，復(fù)位芯片選用SIPEX公司的SP708S。該芯片屬于微處理器岬監(jiān)控器件，其集成有眾多組件，可監(jiān)測(cè)uP及數(shù)字系統(tǒng)中的供電及電池的工作情況，該芯片可以有效地增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性及工作效率。本系統(tǒng)復(fù)位電路設(shè)計(jì)成用

89、戶重啟的按鈕控制。SP708S發(fā)出RESET信號(hào)送給CPU的RESET引腳和JATG接</p><p>　　或進(jìn)行JTAG仿真調(diào)試。</p><p>　　4.4 FLASH 存儲(chǔ)器電路設(shè)計(jì)</p><p>　　Flash存儲(chǔ)器在系統(tǒng)中通常用于存放程序代碼，系統(tǒng)上電或復(fù)位后從此獲取指令并開(kāi)始執(zhí)行，因此用了PC15做了Flash的片選引腳即與CE相連，F(xiàn)lash的R/

90、B引腳與PC14引腳相連，IO0～I(xiàn)O7與D0～D7相連，圖4.1描述了Flash模塊實(shí)際連接電路。</p><p>　　圖4.1 K9F5608U0A電路設(shè)計(jì)圖</p><p>　　4.5 SDRAM 存儲(chǔ)器電路設(shè)計(jì)</p><p>　　4.5.1 SDRAM 模塊功能介紹</p><p>　　與 Flash 存儲(chǔ)器相比較，SDRAM 不

91、具有掉電保持?jǐn)?shù)據(jù)的特性，但存取速度大大高于Flash 存儲(chǔ)器，具有讀/寫(xiě)的屬性，因此SDRAM 在系統(tǒng)中主要用作程序的運(yùn)行空間，數(shù)據(jù)及堆棧區(qū)。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，CPU 首先從復(fù)位地址0x0 處讀取啟動(dòng)代碼，在完成系統(tǒng)的初始化后，程序代碼一般應(yīng)調(diào)入SDRAM 中運(yùn)行，以提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度，系統(tǒng)及用戶堆棧、運(yùn)行數(shù)據(jù)也都放在SDRAM 中。在主電路板中用的HY57V281620型SDRAM.。</p><p>　　圖 4.2

92、 HY57V281620 管腳分布圖</p><p>　　4.5.2 HY57V281620 的實(shí)際連接</p><p>　　與 Flash 存儲(chǔ)器相比，SDRAM 的控制信號(hào)較多，其連接電路也要相對(duì)復(fù)雜。兩片HY57V281620 并聯(lián)構(gòu)建32 位的SDRAM 存儲(chǔ)器系統(tǒng)，其中一片為高16 位，另一片為低16 位，可將兩片HY57V281620 作為一個(gè)整體配置到任意一個(gè)外部存儲(chǔ)器的

93、區(qū)域，但是要注意一定要用同一根片選線與兩片HY57V281620 的CS 引腳相連，這里用的是 SDSC 引腳與HY57V281620 的CS 引腳進(jìn)行的連接。兩片HY57V281620的CLK 端接AT91RM9200 的SDCLK 端; HY57V281620 的CLE 端接AT91RM9200的CLE端;兩片HY57V281620 的/RAS, /CAS, /WE端分別接AT91RM9200的RAS 端、CAS 端、SDWE端;兩

94、片HY57V281620 的All～A0 接AT91RM9200 的地址總線A13～A2;兩片HY57V281620 的BA1, BA0 接AT91RM9200 的地址總線A17, A16;高16 位片的DQ15～DQO 接AT91RM9200 的數(shù)據(jù)總線的高16 位D31～D16，低16 位片的</p><p>　　4.6 調(diào)試與測(cè)試接口</p><p>　　調(diào)試與測(cè)試接口不是系統(tǒng)運(yùn)行必

95、需的，但現(xiàn)代系統(tǒng)越來(lái)越強(qiáng)調(diào)可測(cè)性，調(diào)試、</p><p>　　測(cè)試接口的設(shè)計(jì)也越來(lái)越受到重視。LPC21 24有一個(gè)內(nèi)置的JTAG調(diào)試接口，通過(guò)這個(gè)接口可以控制芯片的運(yùn)行并獲取內(nèi)部信息。在本電路設(shè)計(jì)中，采用了ARM公司的標(biāo)準(zhǔn)20腳JTAG仿真調(diào)試接口，JTAG接口上的信號(hào)nRST和nTRST與復(fù)位電路相連，形成線“與”的關(guān)系，達(dá)到共同復(fù)位的目的。在RTCK引腳接一個(gè)4．7K下拉電阻，使系統(tǒng)復(fù)位后LPC2124內(nèi)部

96、JTAG接口使能，這樣就可以直接進(jìn)行JTAG仿真調(diào)試了。如果不需要使用JTAG，只需在用戶程序中通過(guò)設(shè)置PINSEL2寄存器禁用JTAG即可。</p><p>　　4.7 GPS模塊電路設(shè)計(jì)</p><p>　　本設(shè)計(jì)的GPS模塊采用的是HoLux的GR．87模塊。該模塊支持NMEA 0183</p><p>　　V3．01標(biāo)準(zhǔn)輸出，TTL接口電平，波特率可置。在本

97、系統(tǒng)中，GR．87模塊通過(guò)6PIN排線與主板相連，l腳為電源輸入腳，接5v電源，2、3腳為GPs模塊的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送，接GM8123子串口2，5腳接地，6腳接LED指示燈。工作時(shí)，GPS模塊由GM8123子串口2與主控制器LPC2124進(jìn)行通信，通過(guò)設(shè)置模塊定時(shí)輸出GPS定位數(shù)據(jù)，由主控制器對(duì)GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提取出經(jīng)緯度，時(shí)間等有用信息，為自動(dòng)報(bào)站及正點(diǎn)考核提供可靠數(shù)據(jù)，保證報(bào)站及正點(diǎn)考核功能的實(shí)現(xiàn)。這部分電路設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單。<

98、/p><p>　　4.8 GPRS模塊電路設(shè)計(jì)</p><p>　　本系統(tǒng)采用GPRs實(shí)現(xiàn)正點(diǎn)考核數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，采用短信的方式實(shí)現(xiàn)車輛</p><p>　　緊急情況報(bào)警，這兩大功能均依靠GPRS模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)中GPRs模塊采用SIMCOM公司的GSM／GPRS雙頻模塊SIM300CZ，該模塊主要為語(yǔ)音傳輸、短消息和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)提供無(wú)線接口，采用無(wú)鉛設(shè)計(jì)，特別適合車載、

99、移動(dòng)電話、無(wú)線MODEM卡、無(wú)線PoS機(jī)、無(wú)線抄表系統(tǒng)以及無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)的使用。sIM300cz模塊為用戶提供了功能完備的系統(tǒng)接口。60PIN的系統(tǒng)連接器是SIM300CZ模塊與應(yīng)用系統(tǒng)的連接接口，主要提供提供外部電源、RS．232串口，</p><p>　　SIM卡接口和音頻接口。SIM300Cz模塊可使用鋰電池、鎳氫電池或者其他外部</p><p>　　直流電源供電，電源電壓范圍為3

100、．3V～4．6V，電源需要具有至少2A的峰值電流輸出能力。由于GPRS模塊對(duì)電源的特殊要求，系統(tǒng)在電路設(shè)計(jì)中選用了電源芯片MIC29302BT，對(duì)12V的電源穩(wěn)壓后得到4．2V電壓供給GPRS模塊使用。</p><p>　　SIM300cZ提供標(biāo)準(zhǔn)的Rs．232串行接口，用戶可以通過(guò)串行口使用AT命令完成對(duì)模塊的操作。串行口支持以下通信速率：300，1200，2400，4800，9600，19200，38400，

101、57600，115200(起始默認(rèn))在本電路硬件設(shè)計(jì)中，SIM300CZ模塊與主控制器LPc2124通過(guò)uAl玎1進(jìn)行接口，使用模塊默認(rèn)的速率11 5200與模塊通信。模塊與控制器間的通信協(xié)議是AT命令集，除了串口發(fā)送(TX)、串口接收(RX)之外，微控制器與GPRS模塊之間還有一些硬件握手信號(hào)，如DTR、CTs、DCD等。為了簡(jiǎn)化微控制器的控制，硬件設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有使用全部的硬件握手信號(hào)，而只使用數(shù)據(jù)載波檢測(cè)(DataCa玎ier Dete

102、ct，DCD)和終端準(zhǔn)備(Data Teminal Ready，DTR)信號(hào)。DCD信號(hào)可以檢測(cè)GPRS模塊是處于數(shù)據(jù)傳送狀態(tài)還是處于AT命令傳送狀態(tài)。DTR信號(hào)用來(lái)通知GPRS模塊傳送工作已經(jīng)結(jié)束。GPRS模塊與ARM芯片通過(guò)TTL電平接口，無(wú)需電平轉(zhuǎn)換。</p><p>　　4.9 語(yǔ)音及功放電路設(shè)計(jì)</p><p>　　本設(shè)計(jì)中語(yǔ)音處理模塊選用高音質(zhì)語(yǔ)音模塊wTM．SD，該模塊可播放

103、MP3</p><p>　　格式文件，音質(zhì)優(yōu)美，通用性好，采用sD卡作為存儲(chǔ)語(yǔ)音的載體，存儲(chǔ)容量最</p><p>　　大可達(dá)2G，語(yǔ)音更新只需SD卡與電腦連接即可，十分方便，模塊有四種工作模式：標(biāo)準(zhǔn)模式、按鍵模式、并口模式、串口模式，在本電路設(shè)計(jì)中采用串口模式工作，wTM．SD模塊由主控制器UAl盯0口擴(kuò)展出的子串口3進(jìn)行控制，可以播放背景音樂(lè)，廣告語(yǔ)，進(jìn)行任意段語(yǔ)音的播放，該模塊體積小

104、巧，大小僅4lmm棗39mm，特別適合工業(yè)級(jí)應(yīng)用。為了保證良好的語(yǔ)音質(zhì)量，終端在功放電路設(shè)計(jì)中采用了專用的車載功放芯片TDA2003。TDA2003具有輸出功率大、靜態(tài)電流小、噪聲低、保真度高、輸入阻抗高、工作頻帶寬等特點(diǎn)。芯片諧波失真和交越失真小，且各引腳都有交、直流短路保護(hù)，使用安全可靠，負(fù)載上電壓可沖至40V。TDA2003的體積較小，外圍器件很少，在設(shè)計(jì)上也有簡(jiǎn)單靈活的特點(diǎn)。</p><p>　　4.10

105、 硬件電路設(shè)計(jì)中需要注意的問(wèn)題</p><p>　　在直流電源回路中，負(fù)載的變化會(huì)引起電源噪聲。例如在數(shù)字電路中，當(dāng)電路從一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)換為另一種狀態(tài)時(shí)，就會(huì)在電源線上產(chǎn)生一個(gè)很大的尖峰電流，</p><p>　　形成瞬變的噪聲電壓。配置去耦電容可以抑制因負(fù)載變化而產(chǎn)生的噪聲，是印電路板的可靠性設(shè)計(jì)的一種常規(guī)做法，好的高頻去耦電容可以去除高到1GHz的高頻成分。陶瓷電容或多層陶瓷電容的高頻特性

106、較好。設(shè)計(jì)印制線路板時(shí)，每個(gè)集成電路的電源、地之間都要加一個(gè)去耦電容。去耦電容有兩個(gè)作用：一方面是本集成電路的蓄能電容，提供和吸收該集成電路開(kāi)門(mén)關(guān)門(mén)瞬間的充放電能；另一方面旁路掉該器件的高頻噪聲。</p><p>　　電路設(shè)計(jì)中去耦電容的配置原則是：</p><p>　　(1)電源輸入端跨接一個(gè)10pF～100肛F的電解電容器，如果印制電路板的位置允許，采用更大的電解電容器抗干擾效果會(huì)更好

107、，如100pF以上。</p><p>　　(2)原則上每個(gè)集成電路芯片都應(yīng)配置一個(gè)O．0l蝦的瓷片電容。如遇到印</p><p>　　制電路板空間小而裝不下時(shí)，可每4～1 O個(gè)芯片配置一個(gè)1 pF～10pF鉭電解電容器。</p><p>　　(3)每10片左右的集成電路要加一片充放電電容，或稱為蓄放電容，電容大小可選l O肛F。通常使用的大電容為電解電容，但是在濾波

108、頻率比較高時(shí)，最好使用鉭電容或聚碳酸酯電容。</p><p>　　(4)對(duì)于噪聲能力弱、關(guān)斷時(shí)電流變化大的器件和RoM、RAM等存儲(chǔ)型器件，應(yīng)在芯片的電源線(vcC)和地線(GND)間直接接入去耦電容。</p><p>　　(5)去耦電容一般是為開(kāi)關(guān)器件或其他需要濾波、退耦的器件而設(shè)置的，布置這些電容就應(yīng)盡量靠近這些元部件，不能離的太遠(yuǎn)。</p><p>　　(6)

109、去耦電容的引線不能過(guò)長(zhǎng)，引線越短，去耦效果越好。特別是高頻旁路電容不能帶引線。</p><p>　　(7)去耦不是越多越好，而是要注意濾波的效果，根據(jù)電路板和器件的時(shí)間情況來(lái)選用電容的個(gè)數(shù)和大小。</p><p>　　(8)去耦電容在要求較高的時(shí)候不用瓷片電容和電解電容，因?yàn)樗鼈兊娜葜稻炔睿植茧姼写?，要選用比較精確的鉭電容或者聚酯電容等。</p><p><

110、;b>　　4.11 本章小結(jié)</b></p><p>　　在本章中，重點(diǎn)對(duì)智能公交車載終端的硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹，包括電源模設(shè)計(jì)、ARM中央處理器模塊設(shè)計(jì)、串口及其擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)、GPS模塊電路設(shè)計(jì)、GPRS模塊電路設(shè)計(jì)、語(yǔ)音及功放電路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)等。另外，就硬件設(shè)計(jì)中需要注意的問(wèn)題進(jìn)行了一些探討。</p><p>　　5 智能車載終端系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)</p><